Илья Леенсон - Удивительная химия
Вот одна альфа-частица пролетела сквозь заклеенную слюдой дырочку — вспышка! Проходит несколько секунд — еще одна вспышка, потом третья, четвертая. Опыт длился 10 минут, после чего экспериментатора сменил его помощник: чтобы не было ошибки, опыт надо повторить не один раз, а потом взять среднее значение. Оказалось, что за 10 минут наблюдается в среднем 49 вспышек, значит, столько же альфа-частиц прошло за это время через отверстие. А сколько их всего вылетело за 10 минут из «кончика иголки»?
Расчет очень прост. Альфа-частицы летят из образца равномерно но все стороны. Значит, во сколько раз площадь отверстия меньше площади всей сферы (диаметром 1,5 м), во столько же раз число разлетевшихся частиц больше числа подсчитанных вспышек. Площадь отверстия (она равна πd2/4 вы, наверное, уже знаете эту формулу) легко сосчитать по его диаметру d; она равна 1,23 мм2. Площадь сферы радиусом r (она равна 4πr7), выраженная в квадратных миллиметрах, получается огромной: 2,83 х 107 мм2 — в 23 миллиона раз больше площади отверстия. Значит, во столько же раз больше альфа-частиц вылетело из образца, т. е. 49 х 23 х 106 = 1,13 х 109 — больше миллиарда! В этом и заключалась хитрость опыта: регистрировалась лишь ничтожная часть частиц, испускаемых радиоактивным источником. Теперь, зная массу радия в образце и время измерения, совсем просто вычислить, сколько альфа-частиц испускает за 1 секунду 1 грамм радия. Оказалось — очень много: 1,13 x 109/(600 х 0,055 х 10-3) = 3,42 х 1010 — больше 34 миллиардов! Позднее это значение было несколько уточнено: оно оказалось чуть больше — 37 миллиардов. В течение длительного времени эта константа была основной единицей измерения радиоактивности; ее назвали кюри — в честь Марии и Пьера Кюри, французских ученых, открывших в 1898 году радий и выделивших его в чистом виде.
А как с помощью радия определили число Авогадро? Это уже другая история. Еще в 1895 году английский химик Уильям Рамзай (1852–1916), который прославился открытием в воздухе аргона, обнаружил в минерале клевеите другой благородный газ — гелий. Впоследствии значительные количества гелия были обнаружены и в других минералах — но только в тех, которые содержали уран и торий. Это казалось удивительным и странным — откуда в минералах мог взяться редкий газ? Когда Резерфорд начал исследовать природу альфа-частиц, испускаемых радиоактивными минералами, стало ясно, что гелий является продуктом радиоактивного распада. Оказалось, что альфа-частицы — это фактически те же атомы гелия, только без электронов и летящие с огромной скоростью. Когда они тормозятся, сталкиваясь с другими атомами, натыкаясь на стенки сосуда, они захватывают электроны и превращаются в атомы гелия. Значит, каждую секунду один грамм радия выделяет десятки миллиардов атомов гелия. Выделяется гелий и другими радионуклидами, в том числе продуктами распада радия. Поэтому минералы, содержащие радиоактивные элементы, за миллионы лет своего существования выделяют значительные количества гелия. Частично гелий попадает в атмосферу, а частично «застревает» в минералах и может быть там обнаружен чувствительными методами.
Идея эксперимента стала Резерфорду ясна: надо измерить, какой объем гелия выделяется известным количеством радия за определенный срок и исходя из этого объема рассчитать число молей гелия. К тому времени было уже хорошо известно, что 1 моль газа при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °C занимает объем 22,4 литра.
В 1911 году Резерфорд — на этот раз с молодым американским физиком Бертраном Болтвудом (1890–1927) — приступил к решающему эксперименту. Для опыта взяли соль радия, которую одолжила Резерфорду Венская академия наук. Соль содержала 193 мг чистого радия — огромное, особенно по тем временам, количество, стоившее громадных денег. Из-за начавшейся в 1914 году войны Резерфорд не смог вернуть радий в Австрию. Лишь в конце 20-х годов Кембриджский университет, где работал Резерфорд, согласился выплатить за предоставленный радий 3000 фунтов стерлингов — с рассрочкой платежа на 6 лет.
Но вернемся к опыту Резерфорда и Болтвуда. Они насыпали радиоактивную соль в платиновую капсулу с дырочками в крышке, а капсулу поместили в стеклянную трубку из специального тугоплавкого стекла, в которой был создан вакуум. В таком виде прибор оставили на 83 дня. Решив, что времени прошло достаточно, ученые нагрели стеклянную трубку вместе с платиновой капсулой до красного каления; при этом из соли выделился газообразный гелий, количество которого было точно измерено. Расчеты показали, что каждый день соль радия выделяла 0,0206 мм3 гелия (или 0,107 мм3 в расчете на 1 г радия). Зная скорость испускания альфа-частиц радием и учитывая, что альфа-частицы (и, следовательно, атомы гелия) образуются не только из радия, но также из продуктов его распада, ученые рассчитали число атомов гелия в одном моле этого газа. Оно оказалoсь равным 6,1 х 1023. В те годы это было самое точное значение числа Авогадро (современное значение 6,0221415 х 1023). Так опыты с радием помогли подсчитать число атомов в известном количестве вещества. Это было замечательное достижение человеческого разума.
В последующие годы были и другие, не менее выдающиеся достижения в этой области. Они привели к значительным успехам во многих отраслях науки и техники, но одновременно — к взрывам ядерных бомб, к авариям на атомных электростанциях. Но так было всегда: любые достижения науки можно использовать как на пользу, так и во вред человечеству. Как писал Д. И. Менделеев, изобретение Нобелем динамита, конечно, привело к значительному увеличению взрывной силы мин и снарядов; однако ученый надеялся, что мирное использование новых взрывчатых веществ окажется для человечества более важным, чем их военное применение. Эти слова великого химика не потеряли своей актуальности и в наши дни.
ХИМИКИ МУЗИЦИРУЮТ
Возможно, настоящая глава, которой завершается эта книжка, покажется вам неожиданной: речь шла о химии — при чем же здесь музыка! Однако рассказ о музыкальных пристрастиях великих химиков отнюдь не случаен. Музыка — удивительное творение человеческого интеллекта. Комбинация звуковых колебаний, произведенная в нужном сочетании и в определенной последовательности, может оказать сильнейшее воздействие на человека, повлиять на его эмоциональное состояние и даже на поведение. Музыка вдохновляла великих писателей, художников и, конечно, самих композиторов. Известна и обратная связь — многие деятели науки и культуры внесли заметный вклад в развитие музыки. «Высокая одаренность в одной области вовсе не исключает высокой одаренности в других областях», — пишет в статье «Способности и одаренность» академик Борис Михайлович Теплое (1896–1965) — один из самых ярких представителей отечественной психологии. И далее продолжает: «Действительно, из того факта, что человек всю жизнь работал на одном только направлении и достиг в нем больших, иногда даже великих результатов, мы обычно делаем совершенно незаконный вывод, что во всякой другой деятельности он никаких талантов и способностей не имел. Достаточно просмотреть со вниманием биографии крупных деятелей в различных областях творчества, чтобы убедиться в том, что положение «талант как таковой односторонен» не соответствует действительности. Такие примеры, как актерский талант Н. В. Гоголя, музыкальный талант А. С. Грибоедова, живописный и музыкальный талант Т. Г. Шевченко, легко приходят в голову всякому. Но эти примеры говорят вовсе не о каких-то исключительных случаях: вероятно, случаи полной односторонности таланта представляют собой исключение». Далее Б. М. Теплов, в подтверждение своей мысли, приводит интересные факты из биографии известных музыкантов — Ф. Шопена, К. М. Вебера, А. К. Серова, Дж. Россини. А. К. Лядова, С. И. Танеева и др.
Ну а как обстоит дело с химиками с точки зрения их музыкальных дарований? Всем известен пример Бородина, сочинившего оперу «Князь Игорь», симфонии, струнные квартеты. Доктор медицины, а позднее — профессор химии Александр Порфирьевич Бородин (1833–1887) с детства страстно увлекайся в равной степени музыкой и химией, и эту страсть он пронес через всю жизнь (рис. 8.1). Великий русский химик Николай Николаевич Зинин У(1812–1880), у которого делал свои первые шаги в химии Бородин, не одобрял его увлечения музыкой. «Поменьше занимайтесь романсами, — говорил он будущему замечательному композитору, определившему целое направление в русской симфонической музыке. — На вас я возлагаю все свои надежды… А вы все думаете о музыке и двух зайцах». Однако жить без музыки Бородин не мог. С 9 лет начал он сочинять, играл на рояле, брал уроки игры на флейте. Товарищ Бородина с детских лет М. Р. Щиглев вспоминает: «Мы оба бойко играли и свободно читали ноты и на первый год уже переиграли в четыре руки чуть не все написанное. Таким образом, мы знали чуть не наизусть все симфонии Бетховена и других и в особенности заигрывались и вдохновлялись Мендельсоном… Чтобы познакомиться с камерной музыкой, я самоучкой стал играть на скрипке, а А. П., также самоучкой, на виолончели… Мы не упускали никакого случая поиграть трио или квартет, где бы то ни было и с кем бы то ни было. Ни непогода, ни дождь, ни слякоть — ничто нас не удерживало, и со скрипкой под мышкой, а А. П. с виолончелью на спине часто делали концы пешком, так как денег у нас не было ни гроша…» Достойно упоминания, что и жена Бородина, Екатерина Сергеевна, была блестящей пианисткой, а также композитором; ей он посвятил свой второй квартет, романсы.
